RU2029264C1

RU2029264C1 - Strain-measuring pressure gauge

Info

Publication number: RU2029264C1
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Панков; И.И. Марьямова
Original assignee: Львовский политехнический институт
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: gauge has housing 3 and diaphragm 1 coupled with beam 2 through rod 4. The beam is rigidly pinched from the both ends inside the housing and provided with strain gauges 5 connected in the bridge circuit. The strain gauges of adjacent arms of the bridge circuit are parallel and arranged along beam 2 on its opposite sides. The length of the beam is 1.4-1.7 times grater than the base of the strain gauges. EFFECT: enhanced sensitivity. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим датчикам давления, и может найти применение для измерения давлений жидких и газообразных сред. The invention relates to measuring technique, in particular to strain gauge pressure sensors, and may find application for measuring pressure of liquid and gaseous media.

Известны тензометрические датчики давления, содержащие корпус, мембрану, соединенную с консольной балкой, на которой размещены тензорезисторы, измеряющие деформацию, возникающую на поверхностях балки при прогибе мембраны под давлением [1]. Расположение тензорезисторов на консольной балке приводит к низкой чувствительности и большой нелинейности датчика, вызванными сложными продольно-поперечными изгибами балки и соединительного штока. Known strain gauge pressure sensors containing a housing, a membrane connected to a cantilever beam, on which are placed strain gauges that measure the deformation that occurs on the surfaces of the beam during deflection of the membrane under pressure [1]. The location of the strain gages on the cantilever beam leads to low sensitivity and large non-linearity of the sensor caused by complex longitudinal-transverse bends of the beam and the connecting rod.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является тензометрический датчик давления, содержащий корпус с параллельно расположенными жесткозащемленными в нем мембраной со штоком и измерительной балкой, на которой размещены включенные в мостовую измерительную схему тензорезисторы, расположенные в центральной части измерительной балки и на периферии, и снабженный гибкой тягой, соединяющей центр балки с эксцентрично установленным на мембране штоком [2]. Closest to the technical nature of the invention is a strain gauge pressure sensor containing a housing with parallel-mounted rigidly sealed in it membrane with a rod and a measuring beam, on which are placed strain gauges included in the bridge measuring circuit located in the central part of the measuring beam and on the periphery, and equipped with a flexible a rod connecting the center of the beam with a rod eccentrically mounted on the membrane [2].

Недостатком известного датчика является низкая чувствительность, обусловленная расположением тензорезисторов на измерительной балке. При фиксированной базе тензорезисторов размещение каждого из них в зонах однополярных деформаций вынуждает применять балки значительной длины. Однако это приводит к понижению КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам, так как при этом используется лишь незначительная часть упругой энергии изогнутой балки. A disadvantage of the known sensor is the low sensitivity due to the location of the strain gages on the measuring beam. With a fixed base of strain gages, the placement of each of them in zones of unipolar deformations forces the use of beams of considerable length. However, this leads to a decrease in the efficiency of transfer of elastic energy from the membrane to the strain gauges, since this uses only a small part of the elastic energy of the curved beam.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности датчика давления за счет повышения КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам. The invention is aimed at increasing the sensitivity of the pressure sensor by increasing the efficiency of transmission of elastic energy from the membrane to the strain gauges.

Это достигается тем, что в тензометрическом датчике давления, содержащем корпус, мембрану, связанную посредством штока с жесткозащемленной с двух концов балкой, на которой размещены тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, тензорезисторы, входящие в смежные плечи мостовой схемы, расположены вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4 - 1,7 раза больше базы тензорезисторов. This is achieved by the fact that in a strain gauge pressure sensor containing a housing, a membrane connected by a rod with a beam rigidly clamped at both ends, on which strain gages are placed connected to the bridge measuring circuit, strain gages included in adjacent shoulders of the bridge circuit are located along the beam in it the central part on opposite sides is parallel to each other, and the length of the beam is 1.4 - 1.7 times the base of the strain gages.

При заданной базе тензорезисторов это приводит к повышению КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам и следовательно к увеличению чувствительности датчика давления. For a given base of strain gages, this leads to an increase in the efficiency of transfer of elastic energy from the membrane to the strain gages and, consequently, to an increase in the sensitivity of the pressure sensor.

В процессе нагружения мембраны датчика давлением Р ее центр смещается на величину δ , равную
δ =

(1) где R - радиус мембраны; μ и Е₁ - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала мембраны соответственно; h₁ - толщина мембраны. Этот прогиб δ передается посредством штока жесткозащемленной с обоих концов в корпусе балке с тензорезисторами. На верхней и нижней сторонах балки возникает распределенная деформация, равная
ε = ∓

(2) где L и h_z - длина и толщина балки, а координата z отсчитывается от центра балки к местам ее закрепления в корпусе. Верхний знак соответствует распределению деформации на верхней стороне балки, а нижний - на нижней стороне. При расположении тензорезисторов на противоположных сторонах балки в ее центральной части деформации, воспринимаемая тензорезисторами, равна

=

(3)
При соединении верхнего и нижнего тензорезисторов в смежные плечи мостовой схемы общая регистрируемая мостовой схемой деформация равна

= 2

-

=

(4) Чувствительность датчика давления характеризуется отношением измеряемой тензорезисторами деформации к подаваемому давлению:
K_р =

=

(L-i)=A

1 -

(5) В этом выражении величина А не зависит от длины балки:
A =

(6)
На фиг. 1 представлен тензометрический датчик давления, общий вид, в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.In the process of loading the sensor membrane with pressure P, its center shifts by a value of δ equal to
δ =

(1) where R is the radius of the membrane; μ and E ₁ - Poisson's ratio and Young's modulus of the membrane material, respectively; h ₁ is the thickness of the membrane. This deflection δ is transmitted by a beam of rigidly clamped at both ends in the housing of the beam with strain gauges. On the upper and lower sides of the beam there is a distributed deformation equal to
ε = ∓

(2) where L and h _z are the length and thickness of the beam, and the z coordinate is measured from the center of the beam to the places of its fastening in the housing. The upper sign corresponds to the distribution of deformation on the upper side of the beam, and the lower one on the lower side. When the strain gages are located on opposite sides of the beam in its central part of the deformation, the perceived strain gages are

=

(3)
When connecting the upper and lower strain gages to adjacent shoulders of the bridge circuit, the total deformation recorded by the bridge circuit is

= 2

-

=

(4) The sensitivity of the pressure sensor is characterized by the ratio of the strain measured by the strain gauges to the applied pressure:
K _p =

=

(Li) = A

1 -

(5) In this expression, the value of A does not depend on the length of the beam:
A =

(6)
In FIG. 1 shows a strain gauge pressure sensor, General view, in section; figure 2 is a section aa in figure 1.

Он содержит мембрану 1, балку 2 длиной L, корпус 3, шток 4, тензорезисторы 5 с базой i. It contains a membrane 1, a beam 2 of length L, a housing 3, a stem 4, strain gauges 5 with a base i.

Датчик давления содержит мембрану 1, связанную с балкой 2, которая жестко защемлена с двух концов в корпусе 3. Центр мембраны соединен с балкой 2 посредством штока 4. Вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах симметрично установлены параллельно друг другу тензорезисторы 5, соединенные попарно в противоположные плечи измерительной мостовой схемы. Длина балки 2 в 1,4-1,7 раза больше базы тензорезисторов 5. The pressure sensor contains a membrane 1 connected to the beam 2, which is rigidly pinched at both ends in the housing 3. The center of the membrane is connected to the beam 2 by means of a rod 4. Along the beam in its central part, strain gauges 5 connected in pairs are symmetrically parallel to each other to the opposite shoulders of the measuring bridge circuit. The length of the beam 2 is 1.4-1.7 times the base of the strain gages 5.

При подаче давления на мембрану она изгибается. Прогиб ее центра посредством штока 4 передается центру балки 2, вызывая ее изгиб. При изгибе балки на ее противоположных поверхностях возникает деформация, которая измеряется мостовой схемой, состоящей из тензорезисторов 5. When pressure is applied to the membrane, it bends. The deflection of its center through the rod 4 is transmitted to the center of the beam 2, causing it to bend. When the beam is bent, deformation occurs on its opposite surfaces, which is measured by a bridge circuit consisting of strain gauges 5.

Датчик давления содержит мембрану 1 из стали 44НХТЮ толщиной 0,22 мм с рабочим диаметром 8 мм. Балка 2 длиной 3 мм, толщиной 0,05 мм и шириной 3 мм выполнена из окисленного ковара 29НК и приварена лазером к корпусу 3 из ковара 29НК. Центр балки соединен с центром мембраны посредством штока 4 диаметром 0,5 мм и длиной 2 мм, выполненного из ковара 29НК. Вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах симметрично закреплены с помощью ситаллоцемента СЦН-52 параллельно друг другу четыре тензорезистора 5 из нитевидных кристаллов кремния длиной 2 мм. Длина балки в 1,5 раза больше базы тензорезисторов. The pressure sensor contains a membrane 1 of 44NHTY steel 0.22 mm thick with a working diameter of 8 mm. Beam 2 with a length of 3 mm, a thickness of 0.05 mm and a width of 3 mm is made of oxidized Kovar 29NK and laser-welded to the body 3 of Kovar 29NK. The center of the beam is connected to the center of the membrane through a rod 4 with a diameter of 0.5 mm and a length of 2 mm, made of 29KN Kovar. Along the beam in its central part, on opposite sides, four strain gauges 5 made of silicon whiskers 2 mm in length are symmetrically fixed using SCC-52 sintered cement in parallel to each other. The beam length is 1.5 times the base of the strain gages.

Тензорезисторы, расположенные на верхней и нижней сторонах балки 2, попарно соединены в смежные плечи мостовой схемы. При подаче давления на мембрану балка изгибается, верхние тензорезисторы испытывают деформацию сжатия, а нижние - равную ей деформацию растяжения. При сопротивлении тензорезисторов 5 порядка 100 Ом и напряжении питания мостовой схемы 2 В коэффициент преобразования датчика составит

0,2 мкВ/Па (при номинальном давлении 1 МПа выходной сигнал

200 мВ).Strain gages located on the upper and lower sides of the beam 2 are pairwise connected to adjacent shoulders of the bridge circuit. When pressure is applied to the membrane, the beam bends, the upper strain gages experience compression deformation, and the lower ones experience equal tensile deformation. When the resistance of the strain gages 5 is of the order of 100 Ohms and the supply voltage of the bridge circuit is 2 V, the sensor conversion coefficient will be

0.2 μV / Pa (at a nominal pressure of 1 MPa, the output signal

200 mV).

Ниже приведены рассчитанные значения чувствительности Кр/А при различных отношениях длины балки к базе тензорезисторов, откуда видно, что максимальная чувствительность достигается при длине балки в 1,4-1,7 раза большей базы тензорезисторов. _________________________________________________________________________
L/l 100 10 5 3 2 1,7 1,5 1,4 1,2 1,1
K_р/A 0,02 1,8 6,4 14,8 19,2 28,5 29,6 29,2 23,1 15 _________________________________________________________________________
Использование предлагаемого технического решения обеспечивает более высокую чувствительность за счет повышения КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам путем расположения последних вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4-1,7 раза большей базы тензорезисторов.Below are the calculated sensitivity values Кр / А for various ratios of the beam length to the base of the strain gages, from which it can be seen that the maximum sensitivity is achieved when the beam length is 1.4-1.7 times the base of the strain gages. _________________________________________________________________________
L / l 100 10 5 3 2 1.7 1.5 1.4 1.2 1.1
K _p / A 0.02 1.8 6.4 14.8 19.2 28.5 29.6 29.2 23.1 15 _________________________________________________________________________
Using the proposed technical solution provides higher sensitivity by increasing the efficiency of transfer of elastic energy from the membrane to the strain gauges by placing the latter along the beam in its central part on opposite sides parallel to each other, and the length of the beam is 1.4-1.7 times the base of the strain gauges .

Выполнение тензометрического датчика давления с указанными размещением тензорезисторов на балке и взаимосвязью размеров основных конструктивных элементов значительно увеличивает чувствительность датчика при заданных мембране и базе тензорезисторов. The implementation of the strain gauge pressure sensor with the indicated placement of the strain gauges on the beam and the relationship of the dimensions of the main structural elements significantly increases the sensitivity of the sensor for a given membrane and the base of the strain gauges.

Claims

TENZOMETRIC PRESSURE SENSOR, comprising a housing with a membrane installed in it, connected by means of a rod to a beam rigidly clamped at both ends, on which strain gages are placed connected to a bridge measuring circuit, characterized in that the strain gages included in adjacent shoulders of the bridge circuit are located along the beam in its central part on opposite sides parallel to each other, and the length of the beam is 1.4 - 1.7 times the base of the strain gages.